Презентация "Системы управления базами данных. Модели данных"


Подписи к слайдам:
Системы управления базами данных Модели данных

Системы управления базами данных Модели данных

  • Основы проектирования баз данных

Определение базы данных

  • База данных (БД) — представленная в объективной форме совокупность самостоятельных материалов (статей, расчётов, нормативных актов, судебных решений и иных подобных материалов), систематизированных таким образом, чтобы эти материалы могли быть найдены и обработаны с помощью электронной вычислительной машины (ЭВМ).
  • Выделяются следующие признаки баз данных:
    • БД хранится и обрабатывается в вычислительной системе.
    • Данные в БД логически структурированы (систематизированы) с целью обеспечения возможности их эффективного поиска и обработки в вычислительной системе.
    • БД включает схему, или метаданные, описывающие логическую структуру БД в формальном виде (в соответствии с некоторой метамоделью).

Система управления базами данных

  • Система управления базами данных (СУБД) — совокупность программных и лингвистических средств общего или специального назначения, обеспечивающих управление созданием и использованием баз данных.
  • Основные функции СУБД:
    • управление данными во внешней памяти (на дисках);
    • управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша;
    • журнализация изменений, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев;
    • поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).

Система управления базами данных

  • Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:
    • ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журнализацию,
    • процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода,
    • подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД
    • а также сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.

Метаданные

  • Метаданные, в общем случае, это информация о базе данных:
  • 1 - Метаданные — это субканальная информация об используемых данных[1].
  • 2 - Структурированные данные, представляющие собой характеристики описываемых сущностей для целей их идентификации, поиска, оценки, управления ими.
    • набор допустимых структурированных описаний, которые доступны в явном виде и предназначение которых может помочь найти объект.
  • 3 - Данные из более общей формальной системы, заданную с описывающей свойства системы данных.
  • 4 - Информация о содержащейся на веб-странице свойств информации (создателе и т. п.). Пример: Имя автора правки в тексте.

Виды моделей данных

Виды моделей данных

  • Внешняя
  • Для пользователей, абстрагируется от особенностей реализации. Данные описываются в терминах исследуемой области.
  • Концептуальная
  • Способ логического упорядочения данных.  
  • иерархическая модель данных
  • сетевая модель данных
  • реляционная модель данных
  • Логическая   (внутренняя)
  • Методы доступа к данным, логическая структура файлов.
  • Физическая
  • Поддержка ОС и аппаратными средствами устройств хранения данных.

Виды моделей данных

  • В классической теории баз данных, модель данных есть формальная теория представления и обработки данных в системе управления базами данных (СУБД), которая включает, по меньшей мере, три аспекта:
    • аспект структуры: методы описания типов и логических структур данных в базе данных;
    • аспект манипуляции: методы манипулирования данными;
    • аспект целостности: методы описания и поддержки целостности базы данных.
  • Аспект структуры определяет, что из себя логически представляет база данных, аспект манипуляции определяет способы перехода между состояниями базы данных (то есть способы модификации данных) и способы извлечения данных из базы данных, аспект целостности определяет средства описаний корректных состояний базы данных.
  • Модель данных — это абстрактное, самодостаточное, логическое определение объектов, операторов и прочих элементов, в совокупности составляющих абстрактную машину доступа к данным, с которой взаимодействует пользователь.

Виды моделей данных

  • Иерархическая модель данных — это модель данных, где используется представление базы данных в виде древовидной (иерархической) структуры, состоящей из объектов (данных) различных уровней.
  • Между объектами существуют связи, каждый объект может включать в себя несколько объектов более низкого уровня. Такие объекты находятся в отношении предка (объект более близкий к корню) к потомку (объект более низкого уровня), при этом возможна ситуация, когда объект-предок не имеет потомков или имеет их несколько, тогда как у объекта-потомка обязательно только один предок.
  • Объекты, имеющие общего предка, называются близнецами (в программировании применительно к структуре данных дерево устоялось название братья).

Виды моделей данных

  • Объектные базы данных (также объектно-ориентированные системы управления базами данных) являются системой управления базами данных, в которых информация представлена в виде объектов, используется в объектно-ориентированном программировании.
  • Объектные базы данных отличаются от реляционных баз данных, являющихся таблично-ориентированными. Объектно-реляционные базы данных являются гибридом обоих подходов.
  • Объектно-ориентированные системы управления базами данных (ООСУБД) объединяют возможности базы данных с возможностями языка объектно-ориентированного программирования

Виды моделей данных

  • Объектно-реляционная СУБД (ОРСУБД) — реляционная СУБД (РСУБД), поддерживающая некоторые технологии, реализующие объектно-ориентированный подход: объекты, классы и наследование реализованы в структуре баз данных и языке запросов.
  • Объектно-реляционными СУБД являются, например, широко известные Oracle Database, Informix, DB2, PostgreSQL.
  • Реляционная модель данных (РМД) — логическая модель данных, прикладная теория построения баз данных, которая является приложением к задачам обработки данных таких разделов математики, как теория множеств и логика первого порядка.

Виды моделей данных

  • На реляционной модели данных строятся реляционные базы данных.
  • Реляционная база данных — база данных, основанная на реляционной модели данных. Слово «реляционный» происходит от англ. relation («отношение», «зависимость», «связь»). Для работы с реляционными БД применяют реляционные СУБД.
  • Реляционная модель данных включает следующие компоненты:
  • Структурный аспект (составляющая) — данные в базе данных представляют собой набор отношений.
  • Аспект (составляющая) целостности — отношения (таблицы) отвечают определенным условиям целостности. РМД поддерживает декларативные ограничения целостности уровня домена (типа данных), уровня отношения и уровня базы данных.
  • Аспект (составляющая) обработки (манипулирования) — РМД поддерживает операторы манипулирования отношениями (реляционная алгебра, реляционное исчисление).
  • Кроме того, в состав реляционной модели данных включают теорию нормализации.

Виды моделей данных

  • Нормальная форма — свойство отношения в реляционной модели данных, характеризующее его с точки зрения избыточности, потенциально приводящей к логически ошибочным результатам выборки или изменения данных. Нормальная форма определяется как совокупность требований, которым должно удовлетворять отношение.
  • Процесс преобразования отношений базы данных к виду, отвечающему нормальным формам, называется нормализацией.
  • Отношение — фундаментальное понятие реляционной модели данных.
  • Целостность базы данных (database integrity) — соответствие имеющейся в базе данных информации её внутренней логике, структуре и всем явно заданным правилам.

Виды моделей данных

  • Сетевая модель данных — логическая модель данных, являющаяся расширением иерархического подхода, строгая математическая теория, описывающая структурный аспект, аспект целостности и аспект обработки данных в сетевых базах данных.
  • Разница между иерархической моделью данных и сетевой состоит в том, что в иерархических структурах запись-потомок должна иметь в точности одного предка, а в сетевой структуре данных у потомка может иметься любое число предков.
  • Сетевая БД состоит из набора экземпляров определенного типа записи и набора экземпляров определенного типа связей между этими записями.
  • Тип связи определяется для двух типов записи: предка и потомка. Экземпляр типа связи состоит из одного экземпляра типа записи предка и упорядоченного набора экземпляров типа записи потомка.
  • Для данного типа связи L с типом записи предка P и типом записи потомка C должны выполняться следующие два условия:
    • каждый экземпляр типа записи P является предком только в одном экземпляре типа связи L;
    • каждый экземпляр типа записи C является потомком не более чем в одном экземпляре типа связи L.

Сущность

  • Сущность - это что-то такое, о чем нужно хранить информацию в базе данных.
  • При проектировании баз данных достаточно описать происходящую ситуацию - и большинство существительных и часть глаголов будут кандидатами на сущности.
  • Например: "Покупатели покупают товары. Сотрудники продают товары покупателям. Поставщики поставляют товары"  - покупатели, товары, сотрудники и поставщики - это сущности. Глаголы "покупать" и "продавать" - тоже сущности (хотя могут быть и одной сущностью, разной с точки зрения покупателя и продавца).
  • При проектировании БД главный источник информации о сущностях - это беседа с заказчиком в целях уяснения его бизнес-процессов.
  • Кроме того, анализируются стандартные документы, используемые в бизнес-процессах: бланки, отчеты, инструкции и т.п. После получения такого списка необходимо проверить его на полноту и связность, а также выявить дубли - одинаковые сущности, которые называются разными словами, и сущности, которые на самом деле отличаются, но описываются один и ем же термином.
  • Сущности могут моделировать конкретные понятия (клиенты, товары, звонки) и абстрактные (агент отвечает за клиента, студент записан на курс).

Атрибуты

  • Записи об определенных параметрах каждой из сущностей называются атрибутами.
  • Например, для сущности "заказчик", видимо, будет храниться информация об его наименовании, представителях, адресе и т.п.
  • Выбор нужного комплекта атрибутов - одна из самых больших проблем при проектировании баз данных.
  • Очень часто в реальной базе данных нужный комплект атрибутов в итоге не хранится - просто по той причине, что пользователи не смогли сообщить в процессе сбора информации, что он действительно нужен.
  • Иногда в базе, наоборот, попадают лишние атрибуты, заполнение которых требует дополнительного времени.
  • Очень часто возникает проблема с форматом вводимых данных, например, на какие части делить адрес и что делать с нестандартными случаями.

Ключи (идентификаторы)

  • Ключ или потенциальный ключ – это минимальный набор атрибутов, по значениям которых можно однозначно выбрать требуемый экземпляр сущности.
  • Минимальность означает, что исключение из набора любого атрибута не позволяет идентифицировать сущность по оставшимся. Каждая сущность должна но не обязана обладать хотя бы одним возможным ключом.
  • Ключи можно разделить по признаку общности как:
    • Простой – сформирован из значений единственного поля, которые однозначно определяют каждую запись
    • Составной – сформирован из значений нескольких полей, применяется
  • По способу возникновения:
    • Естественный – основан на уже существующем поле. Например поле фамилия.
    • Суррогатный – основан на добавленном искусственным путем отдельном поле для однозначной идентификации.
    • Интеллектуальный ключ – основан на естественном ключе путем добавления дополнительного поля.

ER-модель данных

  • Модель сущность-связь (ER-модель) (англ. entity-relationship model, ERM) — модель данных, позволяющая описывать концептуальные схемы предметной области.
  • ER-модель используется при высокоуровневом (концептуальном) проектировании баз данных. С её помощью можно выделить ключевые сущности и обозначить связи, которые могут устанавливаться между этими сущностями.
  • Во время проектирования баз данных происходит преобразование ER-модели в конкретную схему базы данных на основе выбранной модели данных (реляционной, объектной, сетевой или др.).
  • ER-модель представляет собой формальную конструкцию, которая сама по себе не предписывает никаких графических средств её визуализации.
  • В качестве стандартной графической нотации, с помощью которой можно визуализировать ER-модель, была предложена диаграмма сущность-связь (ER-диаграмма) (англ. entity-relationship diagram, ERD)